CO裝置汽提氣冷凝器金屬塵化腐蝕擴散模擬識別

黃遠 唐迎邱

摘 要：為了準確評估CO裝置汽提氣冷凝器金屬塵化腐蝕規律，延長冷凝器的使用壽命，設計一個CO裝置汽提氣冷凝器金屬塵化腐蝕擴散模擬識別方法。利用不平衡外推法對流體周圍的邊界計算，建立二維擴散方程計算腐蝕速率，使用蒙特卡羅方法，分析擴散機理，根據加權概率識別沉淀物遷移情況，獲取微粒隨著時間的推移的位置和速度，以此實現冷凝器金屬塵化腐蝕擴散模擬識別。實驗結果表明：所提出的識別方法能夠識別出不同天數下的金屬擴散情況，在相對濕度下的腐蝕增量、金屬被腐蝕體積、腐蝕產物沉淀體積識別上，識別準確度較高。

關鍵詞：CO裝置汽提氣冷凝器；金屬塵化腐蝕；腐蝕擴散；數值模擬

中圖分類號：TG115;TQ050.9+1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0115-04

Simulation and identification method of metal dust corrosion diffusion in stripping gas condenser of CO unit

HUANG Yuan，TANG Yingqiu

（Yangtze River Acetyls Co.，Ltd.，Chongqing? 401254，China

）

Abstract：In order to accurately evaluate the rule of metal dust corrosion in the stripping gas condenser of Co unit and prolong the service life of the condenser，a simulation and identification method of metal dust corrosion diffusion in the stripping gas condenser of Co unit was designed.The unbalanced extrapolation method is used to calculate the boundary around the fluid，and a two-dimensional diffusion equation is established to calculate the corrosion rate.The Monte Carlo method is used to analyze the diffusion mechanism，identify the migration of sediment according to the weighted probability，and obtain the position and velocity of particles over time，so as to realize the simulation and identification of metal dust corrosion diffusion of condenser.The experimental results show that the proposed identification method can identify the metal diffusion in different days，and the identification accuracy is high in the identification of corrosion increment，metal corrosion volume and corrosion product precipitation volume under relative humidity.

Key words：stripping gas condenser of CO unit;metal dust corrosion;corrosion diffusion;numerical simulation

冷凝器的作用是排熱，可以將空氣和蒸氣轉化為液態，并迅速釋放出熱量。電容器的運行是一個熱量釋放的過程，在這個過程中，將水變成液體的設備也被稱為冷凝器。所有的電容器在運行時，都會吸收掉氣體或蒸氣的熱量。由于化學制品加工工藝的差異，在使用過程中會產生各種腐蝕和損傷。由于其自身的特性、環境因素等因素，使得金屬腐蝕仿真結果難以與真實環境相符合，從而難以準確地進行風險預報。為此，凌曉等［1］研究了基于大數據的金屬管道腐蝕狀態分析模型，為了對壓力管線的腐蝕狀況進行客觀、高效的評價，運用大數據技術對管線的腐蝕狀況進行評價，為管線的腐蝕狀況提供了一種新的方法；朱子齊等［2］研究了金屬油氣管道腐蝕的β射線檢測方法，對β粒子在穿過不同厚度鋼板時的能量分布及特征進行了分析，獲得管道腐蝕情況。

但是金屬塵化是異常的高溫腐蝕形式，難以直觀檢查腐蝕現象的同時，無法獲取沉淀物遷移情況，風險預報與特征分析過程首先，為此，優化設計一個CO裝置汽提氣冷凝器金屬塵化腐蝕擴散模擬識別方法。

1 腐蝕產物沉淀分析

CO裝置汽提氣體冷凝器的金屬塵化時，存在大量的化學成分，如金屬陽離子、陰極反應生成陰離子、硫酸根、氯離子等，這些離子結合［3］，生成了一種腐蝕產物，這種腐蝕產物的數量越來越多，濃度也越來越高，最終結晶化，從液相到固相。

在此基礎，進一步計算腐蝕產物生成條件，計算公式為：

CC（aq）>CC（s）（1）

式中：CC（aq）表示冷凝器中腐蝕產物的濃度；CC（s）表示腐蝕產物的飽和濃度。

在此基礎上，采用非平衡外推法對液體四周邊界值進行計算［4］，計算公式為：

fi（O，t）=f（O，t）+［fi（F，t）-feq（F，t）］（2）

式中：feq（F，t）表示冷凝器中流體平衡參數；fi（F，t）、f（O，t）分別表示冷凝器的密度值和速度值。

上述計算對產物沉淀模型構建，為金屬塵化腐蝕擴散模擬提供基礎。

2 腐蝕速率計算

通常，腐蝕速度取決于反應速度和滲透率，在發生腐蝕后，發生了快速的化學反應［5-6］，腐蝕初期，由于化學機理的作用，會對腐蝕液的擴散機理產生一定的影響。基于這種情況，二維擴散方程表示為［7］：

Ct=D2Cx2+Cy2 （3）

式中：（x2，y2）表示某時刻的冷凝器內部金屬腐蝕部分的濃度；C表示腐蝕后產出的溶液的擴散參數。

腐蝕速度取決于材料本身和環境條件［8］，因為其在空間上的腐蝕速度是不均勻的，所以對其進行了以下的定義：

假設某空間集合為A，將局部腐蝕速率表示為：

L=Ci（i=1，2，…，n）（4）

式中：Ci表示腐蝕速率函數。

CO裝置汽提氣體冷凝器存在著空間上的非均勻性，為了精確地描述其自催化效應［9］，催化函數表示為：

limh→hminf=0

limh→hmaxf=0=Ci（5）

式中：f表示腐蝕速率函數；hmin、hmax分別表示腐蝕速率的最大值與最小值。

冷凝器金屬塵化腐蝕過程較為復雜，雖然以上計算了腐蝕速度，但無法作為最終擴散的最終判別，因此還需進一步的計算。

3 沉淀物遷移識別

在實際的腐蝕過程中，會出現遷移情況，AKMC是一種基于原子晶格處的 KMC運算［10］，可以被廣泛地應用于表面成長等領域。它的基本原理是構造一個由原子組成的格子陣列，由計算程序來模擬不同的原子的移動。使用蒙特卡羅方法，根據加權概率，隨機選擇一次躍遷［11］，來確定所選擇的原子躍變概率，以及是否包括了所有的躍遷；若有，則可以準確地模擬系統的長期演變。

需要指出，要保證每一次腐蝕情況的發生都與腐蝕速率函數解相對應，必須將所有的事件發生概率進行統計，并將其存入相應的清單中［12］。按照蒙特卡羅算法，每個蒙特卡洛步對應的事件的發生概率表示為：

Pi=Ri/ΣRi（6）

式中：Ri表示第i個事件的概率。

同時，將金屬塵化腐蝕擴散行為以分子動力學形式計算，在分子動力學的基礎上，系統中的每一個微粒都遵循著牛頓的運動規律［13］，也就是運動與某一特定的軌道有關。給出一個系統的初始運動狀態，然后利用牛頓運動定律對其進行積分運算，得出了多個微粒系統的連續結構，獲得了該系統中微粒隨著時間的推移的位置和速度，參考牛頓運動定律，由此可以確定其運動軌跡。

（1）顆粒在沒有受到外力的情況下，會繼續沿著一條直線以恒定的速度前進，這就是慣性定律［14］；

（2）顆粒受到的合外力與時間的動量的關系；

（3）每次擴散都必然會產生與動作相反的動作，而這些動作在同一時間出現，又同時消失，擴散函數為：

d2xidt2=Fximi（7）

式中：Fxi表示粒子沿著xi軸方向上受到的力；mi表示質量的粒子；dt表示碰撞的時間間隔。

利用該模型可以描述不同的溶液成分的傳遞過程，并利用該模型建立了相應的質量傳遞演化方程，表示為［15］。

g=（x+ceaΔt+Δt）-gk，a（x，t）（8）

式中：gk，a（x，t）表示第k組成分的濃密度分布函數；Δt表示時間步長；cea表示平衡濃度分布函數。

上述過程計算出遷移過程，但是在腐蝕的邊緣，每一個節點都有可能被鈍化，從而減緩腐蝕速度，從而造成凹槽的不規則形狀。為此需要進一步處理，整個識別流程從初始化擴展系統著手，重新定義問題空間和判斷網格變化速率，再到變化情況提取、體積概率判斷，最后完成信息輸出。

在金屬發生腐蝕后，腐蝕邊緣會發生體積變化，這種情況稱作鈍化概率系數（ε），表示為：

ε=0 （R>P）

1 （R≤）P

（9）

式中：R表示任意隨機實數；P表示鈍化概率。

在不引入鈍化幾率的條件下，僅有一個完全的腐蝕反應，而在不同的結點上，同樣的反應速度會使凹陷形成均勻的形狀，將其作為判斷依據，完成冷凝器金屬塵化腐蝕擴散模擬。

4 實驗對比

4.1 實驗準備

為驗證冷凝器金屬塵化腐蝕擴散模擬識別方法的有效性，進行實驗，此次實驗對象的冷凝器是用于與乙酸設備相匹配的一氧化碳回收和冷卻系統。本裝置是一種垂直的固定管板型換熱器，外殼的材質是奧氏體不銹鋼，直徑為25 mm。

實驗分為3部分進行，實驗第1部分，主要采用所提出的方法，模擬金屬腐蝕擴散的情況。

第2部分實驗準備：人工制作溶液，加快金屬的腐蝕，溶液有氰化鈉、氯化鈉、硫酸鎂、氧化鈣、乙酸、濃鹽酸和緩蝕劑。試樣制備過程為：

（1）將樣品從8 mm厚的不銹鋼管線上切下，按照不同的試驗要求進行處理。將電化學試驗樣品制成（5×3×50）mm的樣品，經150、400、1000和2 000#水砂紙逐層打磨，再用2.5 μm的金剛石磨料進行研磨，研磨后采用去離子水沖洗樣品，沖洗完成后加入到無水酒精中，同時采用超聲波清洗，將油脂等雜質清除，用吹風機將其吹干，放到烘干機中備用；

（2）采用高溫、高壓浸漬試驗，樣品大小為HP-13Cr型不銹鋼，其形狀為（10×3×50）mm。樣品經水砂紙一層一層地磨平，直至2 000#，再拋光，去離子水沖洗，無水乙醇脫油，并吹干；

（3）高溫高壓縫試驗所采用的型號是HP-13Cr型（5 ×3×50）mm的不銹鋼薄板，在其的兩端中間有一個孔洞，直徑2.5 mm，用來安裝狹縫裝置。采用砂紙磨平樣品，用去離子水沖洗樣品，并去除油脂，取出后將其吹干；

（4）高通量試驗用的樣品是一種凸起型電極，插入到轉盤內的零件的大小為（10×2×50）mm，凸臺的高度在1～3 mm變化；

（5）用掃描電鏡觀察、共聚焦顯微鏡觀察、成分分析的樣品，按其大小順序用無去離子水和乙醇水沖洗，然后吹干，備用。

實驗的第3部分準備工作如下：

在運行一年后的停機檢查中，發現下部管板嚴重腐蝕，造成嚴重損傷，因此必須進行緊急檢修。

該設備的主要技術特性如表1所示。

該裝置采用0Cr19Ni9鍛件，全部采用奧氏體不銹鋼。

汽提氣主要成份如表2所示。

從汽提塔排出的氣化氣體通過垂直的換熱器頂部進口流入管箱內，凝結水從管箱底排出，冷卻循環的水由下往上逆流，經過冷卻系統的再利用。

本裝置在停機檢查時，將上、下2個封頭全部打開，發現管橋、管板與換熱管連接處的焊接處出現了嚴重的腐蝕，通過放大鏡可以看到被腐蝕的地方有細小的裂縫和顆粒掉落后形成的表面形狀。

將其作為實驗對象，并為了保證實驗的嚴謹性，將基于大數據的分析模型、金屬油氣管道腐蝕的β射線檢測方法與所提出的識別方法對比。

4.2 實驗結果分析

第1部分實驗中，對金屬樣品進行不同時間的腐蝕操作。所提出的方法能夠識別出不同時間的金屬腐蝕變化情況，結果表明，時間越長，金屬表面的凹凸現象越明顯。

預先對比相對濕度下的金屬腐蝕增量情況，即實驗2的結果，對比結果如圖1所示。

由圖1可以看出，所提出的識別方法在不同濕度下的腐蝕增量模擬上，識別的結果與實際增量基本一致，證明所提出的方法準確性較高，高于另外2個識別方法，實際應用意義強。

在實驗3中，對比金屬被腐蝕的體積，對比結果如圖2所示。

腐蝕產物沉淀體積對比結果如圖3所示。

由圖2和圖3可以看出，隨著時間的增加，金屬被腐蝕體積與腐蝕產物沉淀體積隨之增加，所提出方法準確識別出這種趨勢，識別準確度優于另外2種方法。

5 結語

預先進行了腐蝕產物沉淀分析，應用遷移識別方法，能夠識別出不同天數下的金屬腐蝕變化情況，完成不同濕度下的腐蝕增量模擬分析，準確度較優，從而在很大程度上提高了識別結果的準確性。但在實際情況下，有較多影響金屬腐蝕的因素，所以在實際應用時，應該結合實際的情況，分析影響因素，以進一步提高金屬擴散識別方法。

【參考文獻】

［1］ 凌曉，徐魯帥，高甲程，等.基于大數據的金屬管道腐蝕狀態分析模型與應用［J］.熱加工工藝，2021，50（12）：34-38.

［2］ 朱子齊，王曉靜，雍靜.金屬油氣管道腐蝕的β射線檢測方法［J］.重慶大學學報，2021，44（5）：78-86.

［3］ 趙鵬雄，武瑋，淡勇.空間分辨技術在金屬腐蝕原位監測中的應用［J］.中國腐蝕與防護學報，2020，40（6）：495-507.

［4］ 鐘堯，任嘯，吳高林，等.圖像特征分析的電力金屬腐蝕評估方法［J］.哈爾濱理工大學學報，2021，26（1）：100-108.

［5］ 馬元俊，丁雨田，劉建軍，等.GH3625合金在SO_2/O_2氣氛中的腐蝕行為研究［J］.稀有金屬，2020，44（3）：256-264.

［6］ 李高磊，朱學軍，孫胤胤，等.pH值對車用AZ91B鎂合金LDH/HPP膜組織和耐腐蝕性能的影響［J］.材料保護，2021，54（9）：96-100.

［7］ 周巖，胡芳溢，司瑞雪，等.AlSi擴散涂層的制備及其在模擬燃煤環境中的熱腐蝕行為［J］.材料保護，2020，53（2）：74-78.

［8］ 劉曉頎，高藝，劉海鋒，等.利用光纖馬赫曾德干涉儀對金屬腐蝕速率進行測量［J］.大學物理，2021，40（5）：37-40.

［9］ 孫偉松，于思榮，高嵩，等.水分子在石墨烯增強環氧樹脂防腐涂層擴散的分子動力學模擬［J］.中國腐蝕與防護學報，2021，41（3）：411-416.

［10］ 丁聰，張金玲，于彥沖，等.A572Gr.65鋼在不同土壤模擬液中的腐蝕動力學［J］.中國腐蝕與防護學報，2022，42（1）：149-155.

［11］ 周經中，王曉芳，陳云，等.輸電桿塔用熱鍍鋅鋼在模擬東南沿海大氣環境中的加速腐蝕試驗方法研究［J］.材料保護，2021，54（11）：57-62.

［12］ 張舒研，張志彬，胡振峰，等.AlNiLaCe新型高熵非晶合金的組織結構與電化學腐蝕行為［J］.稀有金屬材料與工程，2022，51（3）：1136-1140.

［13］ 潘峰，唐東林，陳印，等.管道腐蝕缺陷超聲信號的PSO-SVM模式識別研究［J］.機械科學與技術，2020，39（5）：751-757.

［14］ 王魯寧，劉麗君，巖雨，等.蛋白質吸附對醫用金屬材料體外腐蝕行為的影響［J］.金屬學報，2021，57（1）：1-15.

［15］ 孟飛，潘子文，葉邦角.基于Geant4的慢正電子束注入金屬材料的模擬研究［J］.中國科學技術大學學報，2020，50（2）：236-242.